光學元件在飛行時間 (ToF) 深度傳感相機中起著關(guān)鍵作用，光學設(shè)計決定了最終系統(tǒng)的復雜性和可行性及其性能。如前文所述，3D ToF 相機具有某些獨特的特性，這些特性推動了特殊的光學要求。本文介紹了深度傳感光學系統(tǒng)架構(gòu)(由成像光學子組件、接收器上的 ToF 傳感器和發(fā)射器上的照明模塊組成)，并討論了如何優(yōu)化每個子模塊以提高傳感器和系統(tǒng)性能。

介紹

ToF 是一種新興的 3D 傳感和成像技術(shù)，已在自動駕駛汽車、虛擬和增強現(xiàn)實、特征識別和物體尺寸測量等領(lǐng)域得到廣泛應用。ToF 相機通過測量光從光源傳播到場景中的物體并返回像素陣列所需的時間來獲取深度圖像。Analog Devices 的ADSD3100所采用的特定技術(shù)類型背照式 (BSI) CMOS 傳感器實現(xiàn)的技術(shù)稱為連續(xù)波 (CW) 調(diào)制，這是一種間接 ToF 傳感方法。在 CW ToF 相機中，來自幅度調(diào)制光源的光被相機視場 (FOV) 內(nèi)的物體反向散射，并測量發(fā)射波形和反射波形之間的相移。通過測量多個調(diào)制頻率下的相移，可以計算出每個像素的深度值。通過使用像素內(nèi)光子混合解調(diào)測量不同相對延遲下發(fā)射波形和接收波形之間的相關(guān)性，可以獲得相移。

深度傳感光學系統(tǒng)架構(gòu)

光學系統(tǒng)架構(gòu)。它可以分為兩個主要子模塊類別：成像模塊(也稱為接收器或 Rx)和照明模塊(也稱為發(fā)射器或 Tx)。以下部分介紹了每個組件的功能、ToF 系統(tǒng)的獨特要求以及相應的設(shè)計示例。

照明模塊

照明模塊由光源、以高調(diào)制頻率驅(qū)動光源的驅(qū)動器以及將光束從光源投射到設(shè)計的照明場 (FOI) 的擴散器組成。

光源與驅(qū)動器

ToF 模塊通常使用窄帶光源，波長對溫度的依賴性較低，包括垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 和邊發(fā)射激光器 (EEL)。發(fā)光二極管 (LED) 通常太慢，無法滿足 ToF 調(diào)制要求。近年來，VCSEL 因其成本低、外形小、可靠性高以及易于集成到 ToF 模塊中而越來越受歡迎。與 EEL(從側(cè)面發(fā)射)和 LED(從側(cè)面和頂部發(fā)射)相比，VCSEL 發(fā)射的光束垂直于其表面，這提供了更好的生產(chǎn)良率和更低的制造成本。此外，通過使用具有設(shè)計發(fā)散度和光學輪廓的單個工程擴散器，可以實現(xiàn)所需的 FOI。激光驅(qū)動器的優(yōu)化，以及印刷電路板(PCB)和光源的電氣設(shè)計和布局對于實現(xiàn)高調(diào)制對比度和高光功率至關(guān)重要。

照明波長(850 nm 與 940 nm)

雖然 ToF 的工作原理與波長無關(guān)(而是與光速有關(guān))，因此波長不應影響精度，但在某些情況下，波長的選擇會影響系統(tǒng)級性能。以下是選擇波長時的一些注意事項。

傳感器量子效率和響應度

量子效率(QE)和響應度(R)相互關(guān)聯(lián)。

通常，硅基傳感器在 850 nm 處的 QE 比在 940 nm 處的 QE 大約高出 2 倍或更多。例如，ADI CW ToF 傳感器在 850 nm 處的 QE 為 44%，在 940 nm 處的 QE 為 27%。對于相同的照明光功率，更高的 QE 和 R 可帶來更好的信噪比 (SNR)，尤其是在沒有太多光返回傳感器的情況下(對于遠處或低反射率物體而言)。

人類感知

雖然人眼對近紅外 (NIR) 波長范圍不敏感，但 850 nm 的光可被人眼感知。另一方面，940 nm 的光對人眼來說是不可見的。

陽光

盡管太陽輻射在光譜的可見光區(qū)域最大，但 NIR 區(qū)域的能量仍然很大。陽光(以及更普遍的環(huán)境光)會增加深度噪聲并縮小 ToF 相機的范圍。幸運的是，由于大氣吸收，920 nm 至 960 nm 區(qū)域的太陽輻射度有所下降，其中太陽輻射度不到 850 nm 區(qū)域的一半。在戶外應用中，在 940 nm 下操作 ToF 系統(tǒng)可提供更好的環(huán)境光抗擾度，并帶來更好的深度感應性能。

輻射強度(每立體角的光功率)

光源產(chǎn)生恒定的光功率，該光功率分布在由擴散光學元件產(chǎn)生的 FOI 內(nèi)的 3D 空間中。隨著 FOI 的增加，每立體角 (sr) 維持的能量(即輻射強度 [W/sr])會降低。了解 FOI 和輻射強度之間的權(quán)衡非常重要，因為它們會影響 ToF 系統(tǒng)的 SNR，從而影響深度范圍。

表 1 列出了幾個 FOI 示例及其對應的輻射強度，這些輻射強度以 60° × 45° FOI 的輻射強度為標準。請注意，輻射強度是以每矩形立體角的光功率計算的。

表 1. 歸一化輻射強度

照明輪廓規(guī)格

為了完整定義照明輪廓，我們確實需要明確指定幾個關(guān)鍵特性。這些特性包括輪廓形狀、輪廓寬度、光學效率(即封閉在特定視場(FOV)內(nèi)的能量)，以及視場(FOI)外的光功率下降。在數(shù)學上，照明輪廓規(guī)范通常以角空間中的輻射強度來定義。

輻射強度是光源在特定方向上的發(fā)光強度的度量，它描述了光源如何將其能量分配到不同的方向上。在角空間中，輻射強度可以表示為光源在不同角度上的發(fā)光強度的函數(shù)。

為了更具體地定義照明輪廓，我們可以使用以下數(shù)學表達式：

設(shè) I(θ,?) 表示光源在方向 (θ,?) 上的輻射強度，其中 θ 和 ? 分別是極坐標中的極角和方位角。那么，照明輪廓可以通過指定 I(θ,?) 在不同方向上的值來定義。

輪廓形狀可以通過描述 I(θ,?) 在不同方向上的變化來定義。例如，如果輪廓是圓形的，那么 I(θ,?) 可能會在 θ 和 ? 的某個范圍內(nèi)保持相對恒定，然后在超出這個范圍后迅速下降。

輪廓寬度可以通過定義 I(θ,?) 顯著下降的角度范圍來指定。例如，我們可以說輪廓寬度是 θ 和 ? 的某個特定范圍，在這個范圍內(nèi) I(θ,?) 保持在其最大值的某個百分比以上。

光學效率可以通過計算封閉在特定 FOV 內(nèi)的能量與光源發(fā)出的總能量之比來定義。在數(shù)學上，這可以表示為：

η=∫all directionsI(θ,?)dΩ∫FOVI(θ,?)dΩ

其中 dΩ 是角空間中的微元，積分分別是在 FOV 內(nèi)和所有方向上進行。

最后，F(xiàn)OI 外的光功率下降可以通過描述 I(θ,?) 在超出 FOI 后的下降速率來指定。例如，我們可以說在超出 FOI 后，I(θ,?) 會以某個特定的速率下降，或者它會下降到某個特定的閾值以下。

綜上所述，通過明確指定這些特性，我們可以完整地定義照明輪廓。這些特性包括輪廓形狀、輪廓寬度、光學效率以及 FOI 外的光功率下降，它們都可以通過數(shù)學表達式來具體描述。

型材寬度

輪廓的寬度決定了照明輪廓的 FOI。它可以定義為最大半寬或最大強度的 1/e 2。為了適應成像鏡頭與成像器之間的錯位以及擴散器的公差，F(xiàn)OI 通常設(shè)計為略大于鏡頭的 FOV，以避免出現(xiàn)暗像素。

輪廓的寬度是光源強度輪廓與漫射器對準直光束的響應的卷積。漫射器的輸入發(fā)散角越寬，寬度越寬，過渡斜率越慢。過渡斜率越寬越慢，導致更多的能量落在 FOI 之外，從而導致光功率損失?？梢允褂靡韵聝蓚€要求來指定此類損失的接受標準。

光學效率——成像鏡頭視場內(nèi)封閉的能量。一般來說，可以在光源和擴散器之間添加準直透鏡，以減小擴散器的輸入角度，或者選擇發(fā)散角較小的光源，以提高光學效率。

影像模塊

成像模塊由成像透鏡組件、帶通濾波器 (BPF) 和成像器上的微透鏡陣列組成。成像器背面光學堆棧的厚度和材料應進行優(yōu)化，以實現(xiàn)低背反射。

ToF 成像鏡頭設(shè)計注意事項

由于 ToF 相機采集的是主動照明產(chǎn)生的光線，因此像素陣列上光線采集的效率和均勻度對整體性能影響很大。鏡頭需要具備強大的采集能力、高透過率和低雜散光。以下是 ToF 鏡頭的設(shè)計注意事項，與傳統(tǒng) RGB 相機鏡頭不同。

聚光效率

光收集效率與 1/(f/#) 2成正比，其中 f/# = (焦距)/(光圈大小)。f/# 越小，效率越高。小 f/# 光學系統(tǒng)有一些缺點。隨著光圈大小的增加，往往會出現(xiàn)更多的暈影和像差，這會使光學設(shè)計更具挑戰(zhàn)性。低 f/# 系統(tǒng)也往往具有較淺的景深。

雜散光

雜散光是系統(tǒng)中任何可能被傳感器檢測到的意外光。雜散光可能來自場內(nèi)或場外的光源，這些光源通過偶數(shù)次反射形成重影(例如鏡頭眩光)。雜散光也可能來自光機結(jié)構(gòu)和任何散射表面。ToF 系統(tǒng)對雜散光特別敏感，因為雜散光的多徑特性會導致像素的光路長度不同，從而導致深度測量不準確。設(shè)計過程中需要使用多種策略來減少雜散光，例如優(yōu)化防反射 (AR) 涂層和機械光圈、使鏡頭邊緣和安裝結(jié)構(gòu)變暗，以及定制設(shè)計 BPF 以優(yōu)化波長和 CRA。

以下是一些可能影響系統(tǒng)中雜散光的因素：

暈影

理想情況下，ToF 鏡頭系統(tǒng)中不應出現(xiàn)任何暈影。暈影會切斷成像光線，有時可用作一種提高圖像質(zhì)量的技術(shù)，同時犧牲周邊區(qū)域的亮度。然而，截止光線通常會在鏡頭系統(tǒng)內(nèi)部反彈，容易導致雜散光問題。

增透膜

光學元件上的AR涂層可降低各表面的反射率，并能有效降低鏡頭反射對深度計算的影響。AR涂層應針對光源波長范圍和鏡頭表面入射角的角度范圍進行精心設(shè)計。

鏡頭元件數(shù)量

雖然添加更多透鏡元件可以提供更多的自由來實現(xiàn)設(shè)計規(guī)格和更好的分辨率圖像質(zhì)量，但它也會增加透鏡元件不可避免的背向反射，并增加復雜性和成本。

帶通濾波器(BPF)

BPF 可切斷環(huán)境光的影響，對于 ToF 系統(tǒng)至關(guān)重要。BPF 設(shè)計應根據(jù)以下參數(shù)進行定制，以獲得最佳性能。

1. 鏡頭參數(shù)，

2. 光源參數(shù)，如帶寬、標稱波長公差和熱漂移

3. 基板材料特性：低入射角隨波長漂移或低熱隨波長漂移

微透鏡陣列

ToF 背照式 (BSI) 傳感器通常具有一層微透鏡陣列，用于匯聚入射到圖像傳感器的光線并最大化到達像素調(diào)制區(qū)域的光子數(shù)量。微透鏡的幾何形狀經(jīng)過優(yōu)化，可在光子轉(zhuǎn)換為電子的像素區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)最高吸收率。

在許多鏡頭設(shè)計中，鏡頭的 CRA 會隨著圖像高度向傳感器邊緣的增加而增加。當 CRA 太大時，這種傾斜入射會導致像素中的吸收損失和相鄰像素之間的串擾。設(shè)計或選擇成像鏡頭時，重要的是鏡頭的 CRA 與其設(shè)計的微透鏡陣列的規(guī)格相匹配。例如，與 ADI ToF 傳感器 ADSD3100 匹配的最佳 CRA 在傳感器水平和垂直邊緣處約為 12°。

結(jié)論

ToF 光學器件具有實現(xiàn)最佳性能的獨特要求。本文概述了 3D ToF 相機光學架構(gòu)以及照明和成像子模塊的設(shè)計指南，以幫助設(shè)計此類光學系統(tǒng)和/或選擇子組件。對于照明子模塊，關(guān)鍵因素是功率效率、可靠性以及光源在高調(diào)制頻率和高調(diào)制對比度下驅(qū)動的能力。詳細討論了 850 nm 和 940 nm 之間的波長選擇考慮因素以及如何指定照明分布。對于成像子模塊，鏡頭設(shè)計考慮因素(包括 f/#、與微透鏡規(guī)格匹配的 CRA 和雜散光控制)對于系統(tǒng)級性能至關(guān)重要。